電網(wǎng)的距離保護65頁

1、第3章 電網(wǎng)的距離保護 3.1 距離保護的基本原理 3.1.1 距離保護的基本原理 距離保護是反應(yīng)保護安裝處至故障點的距離，并根據(jù)距離的遠近而確定動作時限的一種保護裝置。測量保護安裝處至故障點的距離，實際上是測量保護安裝處至故障點之間的阻抗（稱測量阻抗）大小，故又稱阻抗保護。測量阻抗通常用Zm表示，它定義為保護安裝處測量電壓 與測量電流 之比，即 式中， Zm為一復(fù)數(shù)，在復(fù)平面上既可以用極坐標形式表示，也可以用直角坐標形式表示，即 式中 測量阻抗的阻抗值； 測量阻抗的阻抗角； 測量阻抗的實部，稱測量電阻； 測量阻抗的虛部，稱測量電抗 繼電保護原理電力系統(tǒng)正常運行時， 近似為額定電壓， 為負荷電

2、流，Zm為負荷阻抗。負荷阻抗的量值較大，其阻抗角為數(shù)值較小的功率因數(shù)角(一般功率因數(shù)不低于0.9，對應(yīng)的阻抗角不大于25.8)，阻抗性質(zhì)以電阻性為主。當(dāng)線路故障時，母線測量電壓為 ，輸電線路上測量電流為 這時測量阻抗為保護安裝處到短路點的短路阻抗，即 在短路以后，母線電壓下降，而流經(jīng)保護安裝處的電流增大，這樣短路阻抗比正常時測量到的阻抗大大降低，所以距離保護反應(yīng)的信息量測量阻抗Zm在故障前后的變化比電流變化大，因而比反應(yīng)單一物理量的電流保護靈敏度高。 距離保護的實質(zhì)是用整定阻抗Zset與被保護線路的測量阻抗Zm比較。當(dāng)短路點在保護范圍以內(nèi)時，即ZmZset時，保護動作；當(dāng)ZmZset時，保護不

3、動作。因此，距離保護又稱低阻抗保護。 繼電保護原理3.1.2 三相系統(tǒng)中測量電壓和測量電流的選取 在單相系統(tǒng)中，測量電壓 就是保護安裝處的電壓，測量電流 就是被保護元件中流過的電流，系統(tǒng)金屬性短路時兩者間的關(guān)系為 式中，為單位長度線路的復(fù)阻抗，單位為r1、x1分別為單位長度線路的正序電阻和正序電抗。上式是距離保護能夠用測量阻抗來正確表示故障距離的前提和基礎(chǔ)，即只有測量電壓、測量電流之間滿足該式，測量阻抗才能準確反應(yīng)故障的距離。 在實際三相系統(tǒng)中，可能發(fā)生多種不同的短路故障，而在各種不對稱短路時，各相的電壓、電流都不再簡單地滿足上式，需要尋找滿足上式的電壓、電流接入保護裝置，以構(gòu)成在三相系統(tǒng)中可

4、以用的距離保護。 繼電保護原理現(xiàn)以下圖所示網(wǎng)絡(luò)中k點發(fā)生短路故障時的情況為例，對此問題予以分析 故障點k處A、B、C的三相電壓； 流過保護安裝處的三相電流； 流過保護安裝處A相的正序、負序、零序電流； 被保護線路單位長度的正序、負序、零序阻抗，一般情況下可按正、負序阻抗相等考慮；K零序電流補償系數(shù)， 可以是復(fù)數(shù)。 設(shè)繼電保護原理按照對稱分量法，可以算出K點短路時M母線上各相的電壓為 對于不同類型和相別的短路，故障點的邊界條件是不同的，下面就幾種故障情況予以分析。 加一個減一個再進行整理繼電保護原理1. 單相接地短路故障以A相接地為例，當(dāng)A相發(fā)生金屬性短路時， 則有： 若令：則上式變?yōu)?與右式具

5、有相同的形式因而由 算出的測量阻抗能夠正確反應(yīng)故障的距離，從而可以實現(xiàn)對故障區(qū)段的比較和判斷。 對于非故障相B、C，若令 由于 不為零， 無法變成 無法變成 所以B、C兩非故障相的測量電壓、電流不能準確地反應(yīng)故障的距離。 即A相單相接地時，B、C兩相的工作狀態(tài)與正常負荷狀態(tài)相差不大，所以在A相故障時，B、C兩相電壓、電流算出的測量阻抗接近負荷阻抗，對應(yīng)的距離一般都大于整定距離，由它們構(gòu)成的距離保護一般都不會動作。 同理，B相或C相單相接地時情況與此一樣。繼電保護原理2. 兩相接地短路故障系統(tǒng)發(fā)生金屬性兩相接地故障時，故障點處兩接地相的電壓都為0，以B、C兩相接地故障為例，即 令可以得到 可以得

6、到 上兩式均與式 形式相同，所以由 或 作出的測量和判斷都能夠正確反應(yīng)故障距離。 非故障相A相故障點處的電壓UKA0， 之間不存在 關(guān)系，且保護安裝處的電壓、電流均接近正常值，所以B、C兩相接地故障時，用 算出的距離不能正確反應(yīng)故障的距離，且一般均大于整定距離。 因則B、C兩相接地時可得令也可得到 形式，因而用它們作為距離保護的測量電壓和測量電流，同樣能夠正確反應(yīng)故障距離。 繼電保護原理由于在B、C兩相接地故障的情況下， 之間不存在 的關(guān)系，所以由它們構(gòu)成測量電壓、測量電流都不能正確測量故障距離。由于在測量電壓、電流中含有非故障相的電壓、電流，且電壓高、電流小，因此它們一般不會動作。同理可知A

7、、B兩相或C、A兩相接地故障時各故障相和非故障相元件的動作情況與B、C兩相接地時相同。 繼電保護原理3. 兩相不接地短路故障在金屬性兩相短路的情況下，故障點處兩故障相的對地電壓相等，各相電壓都不為0，現(xiàn)以A、B兩相故障為例，因 則有令可得形式而非故障相C相故障點處的電壓與故障相電壓不等，作相減運算時不能被消掉，所以它不能用來進行故障距離的判斷。 4. 三相對稱短路三相對稱短路時，故障點處的各相電壓相等，且三相系統(tǒng)對稱時均為0。這種情況下，選用任意一相的電壓、電流或任意兩相間的電壓、電流差作為距離保護的測量電壓和電流，都可得到與式 相同的形式，即能正確判斷故障距離。 繼電保護原理5. 故障環(huán)路的

8、概念及測量電壓、電流的選取 由以上對各種短路類型下正確測量故障距離的分析，可以尋找出接入距離保護中電壓、電流間的規(guī)律。在系統(tǒng)中性點直接接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地時，故障電流在故障相與大地之間流通；兩相接地短路時，故障電流既可在兩故障相與大地間流通，也可在兩故障相間流通；兩相不接地短路時，故障電流在兩故障相間流通；而三相短路時，故障電流可在任何兩相間流通。如果把故障電流可以流通的通路稱為故障環(huán)路，則在單相接地短路時，存在一個故障相與大地之間的故障環(huán)路(相地故障環(huán)路)；兩相接地短路時，存在兩個故障相與大地間的(相地)故障環(huán)路和一個兩故障相間的(相相)故障環(huán)路；三相短路接地時，存在三個相地故障環(huán)路和三

9、個相相故障環(huán)路。上述分析表明，故障環(huán)路上的電壓和環(huán)路中流通的電流之間滿足 用它們作為測量電壓和測量電流所算出的測量阻抗，能夠正確反應(yīng)保護安裝處到故障點的距離。而非故障環(huán)路上的電壓、電流之間不滿足 由它們算出的測量阻抗就不能正確反應(yīng)故障距離。 繼電保護原理距離保護應(yīng)取故障環(huán)路上的電壓、電流作為判斷故障距離的依據(jù)，而用非故障環(huán)路上的電壓、電流計算得到的距離一般大于保護安裝處到故障點的距離。對于接地短路，取相地故障環(huán)路，測量電壓為保護安裝處故障相對地電壓，測量電流為帶有零序電流補償?shù)墓收舷嚯娏鳎伤鼈兯愠龅臏y量阻抗能夠準確反應(yīng)單相接地故障、兩相接地故障和三相接地故障下的故障距離，這種合理選取相地環(huán)路

10、中電流、電壓的方法稱為接地距離保護接線方式。對于相間短路，故障環(huán)路為相相故障環(huán)路，取測量電壓為保護安裝處兩故障相的電壓差，測量電流為兩故障相的電流差，由它們算出的測量阻抗能夠準確反應(yīng)兩相短路、三相短路和兩相接地短路情況下的故障距離，這種合理選取相相環(huán)路中電流、電壓的方法稱為相間距離保護接線方式。兩種接線方式的距離保護在各種不同類型短路時的動作情況如表3-1所示。 繼電保護原理3.1.3 距離保護的時限特性 距離保護是利用測量阻抗來反應(yīng)保護安裝處至短路點之間的距離，當(dāng)兩個故障點分別發(fā)生在線路的末端或下一級線路始端時，保護同樣存在無法區(qū)分故障點選擇性的問題，為了保證選擇性，目前獲得廣泛應(yīng)用的是階梯

11、形時限特性，這種時限特性與三段式電流保護的時限特性相同，一般也做成三階梯式，即有與三個動作范圍相對應(yīng)的三個動作時限，如圖所示。 距離I段為無延時的速動段，其動作時限僅為保護裝置的固有動作時間。 距離II段為帶延時的速動段，其動作時限和啟動值要與相鄰下一條線路保護的I段和II段相配合。 距離III段為本線路和相鄰線路(元件)的后備保護，其動作時限的整定原則與過電流保護相同，即比下一條變電站母線出線保護的最大動作時限大一個時限級差，其動作阻抗應(yīng)按躲過正常運行時的最小負荷阻抗來整定。 繼電保護原理3.1.4 距離保護的組成 距離保護裝置一般由以下五個部分組成：1. 啟動部分作用：當(dāng)被保護線路發(fā)生故障

12、時，瞬間啟動保護裝置，以判斷線路是否發(fā)生了故障，并兼有后備保護的作用。所用元件：通常采用過電流繼電器或阻抗繼電器。為了提高元件的靈敏度，也可采用反應(yīng)負序電流或零序電流分量的復(fù)合過濾器。 2. 測量部分作用：用來測量保護安裝處至故障點之間的距離，并判別短路故障的方向。所用元件：通常采用帶方向性的阻抗繼電器作測量元件。如果阻抗繼電器是不帶方向性的，則需增加功率方向元件來判別故障的方向。 3. 延時部分作用：用來提供距離保護段、段所需要的動作時限特性。所用元件：通常采用時間繼電器或延時電路作為時間元件。 4. 振蕩閉鎖部分作用：用來防止當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，距離保護的誤動作。在正常運行或系統(tǒng)發(fā)生振蕩

13、時，將保護閉鎖，而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時，解除閉鎖開放保護。 5. 電壓回路斷線失壓閉鎖部分用來防止電壓互感器二次回路斷線失壓時，引起阻抗繼電器的誤動作。 繼電保護原理3.2 阻抗繼電器及其動作特性 阻抗繼電器是距離保護裝置的核心元件，它主要用來作測量元件，也可以作啟動元件兼作功率方向元件。阻抗繼電器種類繁多：按其構(gòu)成方式不同分為電磁型、整流型、晶體管型、集成電路型和微機型；按其構(gòu)成原理不同可分為幅值比較、相位比較和多輸入量時序比較；按其動作特性不同可分為圓特性、直線特性、四邊形特性、蘋果形特性等；按阻抗繼電器的接線方式不同可分為單相式、多相式、濾序式、多相補償式等。 繼電保護原理3.2.1 用復(fù)數(shù)

14、阻抗平面分析阻抗繼電器的特性 按相測量阻抗的繼電器稱為單相式阻抗繼電器，加入繼電器中的量只有一個電壓和一個電流。由于電壓與電流之比是阻抗，所以測量阻抗可以通過測量電壓和電流來實現(xiàn)。繼電器動作情況取決于測量阻抗的值Zm，當(dāng)測量阻抗小于預(yù)定的整定值時動作，大于整定值時不動作。因測量阻抗Zm可以寫成R+jX這種復(fù)數(shù)形式，故可以在復(fù)數(shù)阻抗平面上用作圖法表示出來，如圖所示。圖中相量Zm的模值為 幅角為繼電保護原理對于輸電線路，同樣可以在復(fù)數(shù)阻抗平面上用相量Z表示其阻抗。如圖所示的系統(tǒng)，如果各段線路的阻抗角相同，則該線路在復(fù)數(shù)阻抗平面上的形狀是一條直線，并超前R軸 角，將線路BC的B端(保護B的安裝處)置

15、于坐標原點，保護B正方向的線路阻抗畫在第象限，并超前R軸 角，用相量ZBC表示；保護B反方向的線路AB的阻抗畫在第象限，用ZAB表示，如圖所示。 繼電保護原理對于單相阻抗繼電器的動作范圍，原則上在阻抗復(fù)數(shù)平面上用一個小方框表示就可以滿足要求，如圖所示。但是當(dāng)短路點有過渡電阻存在時，阻抗繼電器的測量阻抗將不在幅角為 的直線上。此外，電壓互感器，電流互感器都存在角誤差，這樣也將使測量阻抗角發(fā)生變化。所以，要求阻抗繼電器的動作范圍不是以 為幅角的直線，應(yīng)將其動作范圍擴大，擴大為一個面或圓(但整定值不變)。目前已經(jīng)實現(xiàn)的有圓特性，橢圓特性，橄欖特性，蘋果特性，直線特性，四邊形特性等。在以上各種特性的繼

16、電器中，以圓特性和直線特性的繼電器最為簡單，應(yīng)用也最為普遍。 繼電保護原理3.2.2 比幅原理和比相原理在線性器件中，兩個正弦交流電氣量之間的關(guān)系包括幅值大小和相位關(guān)系。因此，可以利用比較其幅值大小和相位關(guān)系來構(gòu)成繼電器，其中反映兩電氣量幅值大小關(guān)系的繼電器稱為幅值比較繼電器，簡稱比幅器；反映相位關(guān)系的繼電器為相位比較繼電器，簡稱比相器。1.比幅原理任何按比幅原理工作的阻抗繼電器都具有兩個輸入量，其中一個構(gòu)成動作量，另一個構(gòu)成制動量。比較兩個電氣量的幅值，就是只比較其幅值大小，而不管它們的相位如何。例如，有兩個正弦交流電氣量，其數(shù)學(xué)表達式為它們的幅值分別用 和 表示。 比幅器的動作邊界條件為當(dāng)

17、當(dāng)繼電器動作繼電器不動作繼電保護原理按比幅原理工作的繼電器基本方框圖如圖所示 基本原理：輸入繼電器的電壓 和 電流，通過電壓形成回路，按繼電器的某種特性方程關(guān)系，形成 和 兩個被比較的交流電氣量，然后分別整流、濾波，取幅值后，將其輸入比幅電路。比幅電路有均壓法和環(huán)流法兩種，但一般都采用環(huán)流法接線。比幅電路根據(jù)比較的結(jié)果，輸出直流電壓信號作用于執(zhí)行元件。繼電保護原理2. 比相原理比相器的動作決定于被比較兩電氣量的相位，而與它們的幅值大小無關(guān)。用 和 表示這兩個正弦交流電氣量，其數(shù)學(xué)表達式為 按比相原理構(gòu)成的繼電器動作條件一般可寫為 式中，符號 表示取復(fù)數(shù) 的相角當(dāng)相量 超前 時，相角 為正，反之

18、為負。 動作范圍為-9090的繼電器稱為余弦型比相器，其動作特性如圖所示。 繼電保護原理按比相原理工作的繼電器，其方框圖如圖所示。 基本原理：反應(yīng)被保護元件工作情況的電壓及電流，通過電壓形成回路，按繼電器的某種特定關(guān)系，轉(zhuǎn)換成相位比較的兩個電氣量 和 ，送入比相電路進行比較，根據(jù)兩電氣相量相位比較結(jié)果，輸出一直流電壓信號作用于執(zhí)行元件。 繼電保護原理3. 比幅與比相之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系比幅和比相雖然是兩種不同的原理和方法，但可以構(gòu)成同一特性的繼電器。它們之間存在著一定的內(nèi)在關(guān)系，在一定條件下可以互換，把輸入量作適當(dāng)?shù)慕M合就可以利用比幅式實現(xiàn)相位比較。反之，也可利用比相式實現(xiàn)幅值比較。按比幅原理工作的

19、繼電器，以 和 表示比幅的兩個電氣量，而且繼電器動作條件為按比相原理工作的繼電器，以 和 表示比相的兩個電氣量，它的動作條件為 這兩類繼電器的動作條件，恰好可以用在復(fù)數(shù)平面上平行四邊形的兩條邊與對角線的關(guān)系來表示，如下圖： 繼電保護原理由圖可以看出：不管 和 的大小如何，若 為900或900時，相位比較正好處于臨界狀態(tài)，這時圖形為一矩形，兩對角線長短相等，即當(dāng) 900 900時，相位比較處于動作狀態(tài)，幅值比較也處于動作狀態(tài)；當(dāng) 900或 900時，兩類繼電器都不在動作區(qū)內(nèi)。 繼電保護原理由此得出兩種比較原理的兩組比較量的互換關(guān)系，即 同樣可得 由于是比較相位，左式中的常數(shù)1/2不影響C和D的比

20、較結(jié)果，故可把左式變?yōu)?上述關(guān)系說明，動作條件為90 90的相位比較與動作條件為 的幅值比較等效，利用上式，即可由一種比較原理的比較量算出另一種比較原理的比較量，它們所構(gòu)成的動作特性完全相同。注意：在應(yīng)用幅值比較與相位比較轉(zhuǎn)換關(guān)系式時應(yīng)注意其條件：當(dāng)幅值比較繼電器動作條件為 時，則相位比較繼電器的動作角度范圍為 =9090；如果相位比較繼電器的動作邊界不是90，則不能應(yīng)用上述的轉(zhuǎn)換關(guān)系。此外，這種轉(zhuǎn)換關(guān)系只能適用于正弦波的交流電氣量。 繼電保護原理3.2.3 阻抗繼電器的動作特性和動作方程阻抗繼電器動作區(qū)域的形狀稱為動作特性。例如動作區(qū)域為圓時稱為圓特性；動作區(qū)域為四邊形時稱為四邊形特性。動作

21、特性既可以用阻抗復(fù)平面上的幾何圖形來描述，也可用復(fù)數(shù)的數(shù)學(xué)方程來描述，這種方程稱為動作方程。 本節(jié)主要講圓特性阻抗繼電器根據(jù)動作特性圓在阻抗復(fù)平面上位置和大小的不同，圓特性又分為偏移圓特性、方向圓特性和全阻抗圓特性三種。 1) 偏移圓特性偏移圓特性的動作區(qū)域如圖所示，它有兩個整定阻抗，即正方向整定阻抗Zset1和反方向整定阻抗Zset2，兩整定阻抗對應(yīng)相量末端的連線就是圓的直徑。特性圓包含坐標原點，圓心位于：圓內(nèi)為動作區(qū)，圓外為非動作區(qū)。當(dāng)測量阻抗正好落在圓周上時，阻抗繼電器臨界動作。 半徑為：繼電保護原理對應(yīng)于該特性的動作方程，可以有兩種不同的表達式：一種是比較兩個量大小的幅值比較原理的表達

22、式；另一種是比較兩個量相位的相位比較原理的表達式。(1) 幅值比較原理當(dāng)測量阻抗Zm落在圓內(nèi)或圓周上時， Zm末端到圓心的距離一定小于或等于圓的半徑；而當(dāng)測量阻抗Zm落在圓外時，Zm末端到圓心的距離一定大于圓的半徑。所以動作條件可表示為當(dāng)Zm滿足上式時，阻抗繼電器動作，否則不動作。上式就是偏移圓特性阻抗繼電器的幅值比較動作方程。 繼電保護原理(2) 相位比較原理：如上所述，Zset1與Zset2相量末端的連線，就是圓特性的直徑，它將圓分成兩部分，即右下部分和左上部分，如圖所示。由圖可見，當(dāng)測量阻抗落在右下部分圓周的任一點上時，有當(dāng)測量阻抗落在左上部分圓周的任一點上時，有 當(dāng)測量阻抗落在圓內(nèi)任一

23、點時，有 當(dāng)測量阻抗落在圓外時有 或因而測量元件的動作條件可表示為 上式就是偏移圓特性阻抗繼電器的相位比較動作方程 繼電保護原理使阻抗元件處于臨界動作狀態(tài)所對應(yīng)的阻抗稱為動作阻抗，通常用ZOP表示。對于具有偏移圓特性的阻抗繼電器而言，當(dāng)測量阻抗Zm的阻抗角不同時，對應(yīng)的動作阻抗是不同的。當(dāng)測量阻抗Zm的阻抗角與正向整定阻抗Zset1的阻抗角相等時，阻抗繼電器的動作阻抗最大，正好等于Zset1，即 ，此時繼電器最靈敏，所以Zset1的阻抗角又稱為最大靈敏角。最大靈敏角是阻抗繼電器的一個重要參數(shù)，一般取為被保護線路的阻抗角。當(dāng)測量阻抗Zm的阻抗角與反向整定阻抗Zset2的阻抗角相等時，動作阻抗最小

24、，正好等于Zset2，即由上述分析可見:偏移圓特性的阻抗繼電器在反向故障時有一定的動作區(qū)。如果Zset2的方向正好與Zset1的方向相反，則Zset2可以用 表示，稱為偏移特性的偏移率。偏移特性的阻抗元件通常用在距離保護的后備段(如第段)中。繼電保護原理2) 方向圓特性在上述的偏移圓特性中，如果令Zset2=0，Zset1=Zset，則動作特性就變成方向圓特性，動作區(qū)域如圖所示。特性圓經(jīng)過坐標原點，圓心位于Zset/2處，半徑為將Zset2=0，Zset1=Zset代入偏移園特性幅值比較動作方程，可得到方向圓特性的幅值比較動作方程為 將Zset2=0，Zset1=Zset代入偏移園特性相位比較

25、動作方程，可得到方向圓特性的相位比較動作方程為 與偏移阻抗圓特性類似，方向圓特性對于不同阻抗角的Zm，動作阻抗也是不同的。在整定阻抗的方向上，動作阻抗最大，正好等于整定阻抗；其他方向的動作阻抗都小于整定阻抗；在整定阻抗的反方向，動作阻抗為0,反向故障時不會動作，所以阻抗元件本身具有方向性。 繼電保護原理3) 全阻抗圓特性在偏移園特性中，如果令Zset2=-Zset，Zset1=Zset，則動作特性就變?yōu)閳A特性，動作區(qū)域如圖所示。特性圓的圓心位于坐標圓點處，半徑為將Zset2=-Zset，Zset1=Zset代入偏移園特性幅值比較動作方程，可得到全阻抗圓特性的幅值比較動作方程為將Zset2=-Z

26、set，Zset1=Zset代入偏移園特性相位比較動作方程，可得到全阻抗圓特性的相位比較動作方程為全阻抗圓特性在各個方向上的動作阻抗都相同，它在正向或反向故障的情況下具有相同的保護區(qū)，即阻抗元件本身不具有方向性。全阻抗圓特性的阻抗元件可以應(yīng)用于單側(cè)電源的系統(tǒng)中；當(dāng)應(yīng)用于多側(cè)電源時，應(yīng)與方向元件相配合。 繼電保護原理3.3 阻抗繼電器的實現(xiàn)方法 對于動作于跳閘的繼電保護功能而言，最重要的是判斷出故障處于規(guī)定的保護區(qū)內(nèi)還是區(qū)外，至于區(qū)內(nèi)或區(qū)外的具體位置，一般并不需要確切地知道。這樣，就可以用兩種不同的方法來實現(xiàn)距離保護：一種是首先精確地測量出Zm，然后再將它與事先確定的動作特性進行比較。當(dāng)Zm落在

27、動作區(qū)域之內(nèi)時，判為區(qū)內(nèi)故障，給出動作信號；當(dāng)落在動作區(qū)域之外時，繼電器不動作。另一種方法無需精確地測出Zm，只需間接地判斷它是處在動作邊界之內(nèi)還是處在動作邊界之外，即可確定繼電器動作或不動作。阻抗繼電器一般可根據(jù)已經(jīng)推導(dǎo)出的幅值比較動作方程和相位比較動作方程來實現(xiàn)，也可以按照距離保護原理的要求由其他方法實現(xiàn)。 繼電保護原理3.3.1 幅值比較原理的實現(xiàn) 幅值比較的動作條件是令在幅值比較的條件式兩端同乘以測量電流 并令則幅值比較的動作條件又可表示為：稱為電壓形式的幅值比較方程 在傳統(tǒng)的模擬式距離保護中，幅值比較原理就是以電壓比較的形式實現(xiàn)的。根據(jù)動作特性的需要，首先形成兩個參與比較的電壓量 、

28、 ，然后在幅值比較電路中比較兩者的大小，滿足上式時，發(fā)出動作信號。在集成電路型的模擬式保護中，比較電壓的形成既可以用回路連接的辦法實現(xiàn)，也可用模擬加、減法器通過對測量電壓、電流和整定阻抗進行模擬運算的辦法實現(xiàn)。 下面以圓特性的方向阻抗元件為例，來說明其實現(xiàn)的原理： 繼電保護原理在圖中，T為電壓變換器，它將電壓互感器的輸出電壓變換為適合弱電回路運算的電壓，它有一個輸入繞組和一個輸出繞組，輸出電壓接入阻抗繼電器的電壓形成回路。變換器的變換系數(shù)KU為沒有量綱的實數(shù)，所以變換器的輸出電壓與輸入電壓同相位，幅值為 UR為電抗互感器，它有一個輸入繞組和三個輸出繞組，輸入來自電流互感器的二次電流，三個輸出繞

29、組中，其中一個繞組接調(diào)節(jié)電阻，另外兩個繞組接阻抗繼電器的電壓形成回路。接電壓形成回路的兩個繞組的輸出電壓都為 其中KI為具有阻抗量綱的復(fù)數(shù)變換系數(shù)，改變匝數(shù)可以改變變換系數(shù)的值，改變調(diào)節(jié)繞組中的調(diào)節(jié)電阻，可以改變其阻抗角。 繼電保護原理電抗互感器的鐵芯有氣隙，其輸出電壓近似為輸入電流的導(dǎo)數(shù)，對輸入電流中不同頻率成分的影響是不同的，對于輸入信號中的直流分量，其輸出基本沒有反映，即可以濾除直流分量，而當(dāng)輸入中含有高頻信號時，它將會有較大的放大作用。由圖中可以得到 則幅值比較回路的動作條件為 兩側(cè)同除以 并令則得到用阻抗表示的具有方向圓特性的阻抗繼電器的動作條件 繼電保護原理3.3.2 相位比較原理

30、的實現(xiàn) 相位比較的動作條件為令則動作條件又可以表示為 稱為電壓形式相位比較方程 在模擬式保護中，相位比較原理也是以電壓比較的形式實現(xiàn)的。它也應(yīng)根據(jù)動作特性的需要，首先形成兩個參與相位比較的電壓量 與 ，然后在相位比較電路中比較兩者的相位關(guān)系，滿足其動作方程時，發(fā)出動作信號。 電壓的形成也有依靠回路串、并聯(lián)連接和用模擬加、減法器運算兩種方式。以圓特性的方向阻抗元件為例，介紹電壓形式的相位比較原理的實現(xiàn)。其接線如圖所示： 繼電保護原理在圖中，電壓變換器T有兩個輸出繞組，輸出的電壓均為 ；電抗互感器UR也有兩個輸出繞組，其中一個的輸出電壓為 ，另一個繞組接相角調(diào)節(jié)電阻。按照圖示的連接，可以得到 則相

31、位比較回路動作條件為 上式中分子、分母同除以 ，并令 ，就可以得到 這就是方向園特性的阻抗元件的動作方程繼電保護原理3.4 影響距離保護正確工作的因素 在距離保護中，最根本的要求是阻抗繼電器能正確測量短路點至保護安裝處的距離。當(dāng)故障發(fā)生在保護區(qū)內(nèi)時，測量的阻抗應(yīng)小于動作阻抗，繼電器動作，當(dāng)故障發(fā)生在區(qū)外時，測量阻抗大于動作阻抗，繼電器應(yīng)不動作，從而保證選擇性。為了保證這一要求的實現(xiàn)，除了采用正確的接線方式外，還應(yīng)充分考慮在實際運行中保護裝置會受到一些不利因素的影響，使之發(fā)生誤動。一般來說，影響距離保護正確動作的因素主要有：（9個因素）(1) 短路點的過渡電阻 在此之前，分析和整定繼電保護裝置時

32、，都是用金屬性短路作為依據(jù)(不計短路點的過渡電阻)。然而，在實際的電力系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生相間短路或接地短路時，短路點通常具有阻抗，例如電弧電阻、外物電阻、導(dǎo)線和大地間的電阻(當(dāng)導(dǎo)線落地時)、桿塔接地電阻以及利用木質(zhì)絕緣的木桿電阻等。分析和實驗表明，這些阻抗是電阻性的，因此常稱之為過渡電阻。顯然，過渡電阻的存在，將使阻抗繼電器的測量阻抗發(fā)生變化，影響距離保護的正確動作。在一般情況下使測量電阻增大，距離保護段保護范圍縮短，距離保護段保護靈敏度降低，但有時也可能引起保護超范圍動作或反方向誤動。 繼電保護原理(2) 電力系統(tǒng)振蕩 電力系統(tǒng)未受擾動處于正常運行狀態(tài)時，系統(tǒng)中所有發(fā)電機處于同步運行狀態(tài)，發(fā)電機

33、電勢間的相位差較小，并且保持恒定不變，此時系統(tǒng)中各處的電壓、電流有效值都是常數(shù)。當(dāng)電力系統(tǒng)受到大的擾動或小的干擾而失去運行穩(wěn)定時，機組間的相對角度隨時間不斷增大，線路中的潮流也產(chǎn)生較大的波動。在繼電保護范圍內(nèi)，把這種并列運行的電力系統(tǒng)或發(fā)電廠失去同步的現(xiàn)象稱為振蕩。電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩的原因是多方面的，歸納起來主要有以下幾點：電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)劃不周，聯(lián)系薄弱，線路輸送功率超過穩(wěn)定極限。系統(tǒng)無功電源不足，引起系統(tǒng)電壓降低，沒有足夠的穩(wěn)定儲備。大型發(fā)電機勵磁異常。短路故障切除過慢引起穩(wěn)定破壞。繼電保護及自動裝置的誤動、拒動或性能不良。過負荷。防止穩(wěn)定破壞或恢復(fù)穩(wěn)定的措施不健全及運行管理不善等。 繼電保護原

34、理電力系統(tǒng)振蕩是電力系統(tǒng)的重大事故。振蕩時，系統(tǒng)中各發(fā)電機電勢間的相角差發(fā)生變化，電壓、電流有效值大幅度變化，以這些量為測量對象的各種保護的測量元件就有可能因系統(tǒng)振蕩而動作，對用戶造成極大的影響，可能使系統(tǒng)瓦解，造成大面積的停電。但運行經(jīng)驗表明，當(dāng)系統(tǒng)的電源間失去同步后，它們往往能自行拉入同步，有時當(dāng)不允許長時間異步運行時，則可在預(yù)定的解列點自動或手動解列。顯然，在振蕩之中不允許繼電保護裝置誤動，應(yīng)該充分發(fā)揮它的作用，消除一部分振蕩事故或減少它的影響。電力系統(tǒng)振蕩時，阻抗繼電器是否誤動、誤動的時間長短與保護安裝處位置、保護動作范圍、動作特性的形狀和振蕩周期的長短等有關(guān)。安裝位置距振蕩中心越近、

35、整定值越大時，越容易受振蕩的影響，振蕩周期越長，誤動的幾率越高。但并不是安裝在系統(tǒng)中所有的阻抗繼電器在振蕩時都會誤動，但是在出廠時都要求阻抗繼電器配備振蕩閉鎖，使之在系統(tǒng)振蕩時閉鎖距離保護。 繼電保護原理(3)測量互感器誤差 阻抗繼電器是通過電流互感器和電壓互感器接入電氣量的，測量互感器的變比誤差和角誤差必然給阻抗繼電器的正確測量帶來影響，關(guān)于這種影響通常在計算阻抗繼電器的動作阻抗時，用可靠系數(shù)來考慮。 (4) 電網(wǎng)頻率的變化 在相位比較方向阻抗繼電器中，用記憶極化電壓作為一個比較量，由于電壓記憶回路是調(diào)整在額定工頻下諧振，因此對系統(tǒng)頻率的變化最為敏感。當(dāng)系統(tǒng)的工作頻率與諧振頻率發(fā)生偏移時，將

36、使阻抗繼電器特性曲線在阻抗復(fù)平面向左、右方向偏移。(5) 在Y/-11變壓器后發(fā)生短路故障 當(dāng)保護安裝處與短路點具有Y/接線變壓器時，阻抗繼電器的工作將受變壓器的阻抗和一、二次電壓相角差的影響。例如方向阻抗繼電器對Y/變壓器另一側(cè)的兩相短路反應(yīng)能力很差，一般不能起后備作用。 繼電保護原理(6) 線路串聯(lián)補償電容的影響 在線路或變電所內(nèi)裝設(shè)串聯(lián)補償電容后，破壞了阻抗繼電器的測量阻抗與距離成比例的關(guān)系，同時它的電抗部分還會改變符號，使保護的方向性被破壞，對阻抗繼電器的正確工作帶來影響。(7) 過渡過程及二次回路斷線在電力系統(tǒng)正常運行中，電壓互感器的一次回路或二次回路有可能出現(xiàn)斷線的情況，當(dāng)電壓回路

37、斷線后，二次側(cè)接至保護回路的相電壓或線電壓都可能降低至零，由于這時電力系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)，仍然有負荷電流，所以測量阻抗可能小于動作阻抗，使阻抗繼電器誤動作。(8) 平行雙回路互感的影響 當(dāng)發(fā)生接地短路故障時，雙回路中的接地阻抗繼電器的測量阻抗，受雙回路零序互阻抗的影響，產(chǎn)生阻抗測量上的誤差。(9) 在短路點與保護安裝處之間有分支電路 下面重點分析這種情況 繼電保護原理(9) 在短路點與保護安裝處之間有分支電路當(dāng)保護安裝處與短路點有分支線時，分支電流對阻抗繼電器的測量阻抗有影響，現(xiàn)分兩種情況予以分析：助增電流的影響 下圖為助增電流對測量阻抗影響的示意圖當(dāng)線路BD上k點發(fā)生短路故障時，由于在短路

38、點k和保護裝置之間，還有分支電路CB存在，因此、兩個電源均向短路點提供短路電流。這時故障線路中的電流為 ，流過非故障線路CB的電流為 。電流 流向故障點，但不流過保護裝置KZA。若短路點k在距離保護裝置KZA的第段范圍內(nèi)，則此時阻抗繼電器KZA的測量阻抗為 =式中Kb稱為分支系數(shù)(助增系數(shù))，其定義為 一般情況下， Kb為一復(fù)數(shù)，但在實用中可近似認為 與 同相位，因此可以認為是一實數(shù)。 繼電保護原理前已指出，在單側(cè)電源輻射形電網(wǎng)中，繼電器的測量阻抗只與短路點到保護安裝處之間的距離成正比。但上式說明，當(dāng)短路點與保護安裝處有分支電路時，由于分支電流 的存在，使保護裝置KZA第段的測量阻抗不僅取決于

39、短路點至安裝點的距離，而且還取決于電流 與 的比值，因為 故Kb1，所以實際增大了測量阻抗(與無分支電路相比)。這種使測量阻抗增大的分支電流稱為助增電流，其分支系數(shù)亦稱之為助增系數(shù)。 分支系數(shù)與系統(tǒng)的運行方式有關(guān)，在整定計算時應(yīng)取實際可能運行方式下的最小值，以保證保護的選擇性。因為這樣整定后，如果運行方式變化出現(xiàn)較大的分支系數(shù)時，使得測量阻抗增大，保護范圍縮小，不至于造成非選擇性動作。反之，如果取實際可能運行方式下的較大值，則當(dāng)運行方式變化，使分支系數(shù)減小時，將造成阻抗繼電器的測量阻抗減小，保護范圍伸長，有可能使保護無選擇性動作。 繼電保護原理汲出電流的影響如果保護安裝處與短路點連接的不是分支

40、電源而是負荷或單回線與平行線相連的網(wǎng)絡(luò)，短路點位于平行線上，則阻抗繼電器的測量阻抗亦相應(yīng)的變化。圖示為單回線與平行線相連的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)在平行線之一的k點發(fā)生相間短路時，由A側(cè)電源供給短路電流送至變電所時就分成兩路流向短路點k，其中非故障支路電流為 ，故障支路電流為 ，它們之間的關(guān)系 流過保護裝置KZA的電流比故障支路電流大。此時距離保護裝置KZA第II段的測量阻抗為 式中Kb稱為分支系數(shù)(汲出系數(shù))。由于 所以Kb1。與無分支電路的情況相比，保護裝置KZA的第II段測量阻抗有所減小。這種使測量阻抗減小的電流(分支電流)稱為汲出電流。 繼電保護原理由于汲出電流的存在，使測量阻抗減小，也即伸長了保護區(qū)

41、的長度，可能造成保護的無選擇性動作。為了防止這種非選擇性動作，在整定計算時引入一個小于1的分支系數(shù)，使保護裝置KZA的第段動作阻抗適當(dāng)減少，以抵償由于汲出電流的影響致使保護范圍伸長的結(jié)果，使保護裝置在任何情況下都能保證有選擇地動作。汲出系數(shù)也與系統(tǒng)的運行方式有關(guān)，在整定計算時仍應(yīng)采用各種運行方式下最小的汲出系數(shù)。 綜上分析可知， Kb是一個與電網(wǎng)接線有關(guān)的分支系數(shù)，其值可能大于1、等于1或小于1。當(dāng)Kb1時，阻抗繼電器的測量阻抗增大，即助增電流的影響使阻抗繼電器的靈敏度下降；當(dāng)Kb1時，阻抗繼電器的測量阻抗減小，即汲出電流的影響，可能使保護失去選擇性。因此正確計及助增電流和汲出電流是保證阻抗繼

42、電器正確工作的重要條件之一。為了在各種運行方式下都能保證相鄰保護之間的配合關(guān)系，應(yīng)按Kb為最小的運行方式來確定距離保護第段的整定值；對于作為相鄰線路遠后備保護的距離段保護，其靈敏系數(shù)應(yīng)按助增電流為最大的情況來校驗。 繼電保護原理3.5 距離保護的整定計算和方法 3.5.1 距離保護的整定原則 (1) 各種保護在動作時限上按階梯原則配合。(2) 相鄰元件的保護之間、主保護與后備保護之間、后備保護與后備保護之間均應(yīng)配合。(3) 相間保護與相間保護之間、接地保護與接地保護之間，反應(yīng)不同類型故障的保護之間不能配合。(4) 上一線路與下一線路所有相鄰線路保護間均需相互配合。(5) 不同特性的阻抗繼電器在

43、使用中還需考慮整定配合。(6) 對于接地距離保護，只有在整定配合要求不很嚴格的情況下，才能按照相間距離保護的整定計算原則進行整定。(7) 了解所選保護采用的接線方式、反應(yīng)的故障類型、阻抗繼電器的特性及采用的段數(shù)等。(8) 給出必需的整定值項目及注意事項。 繼電保護原理3.5.2 距離保護的整定計算目前運行中的距離保護一般都采用三段式 1. 距離保護I段整定計算1) 當(dāng)被保護線路無中間分支線路(或分支變壓器)時整定值計算按躲過本線路末端故障整定，一般可按被保護正序阻抗的80%85%計算，即 式中 距離保護段整定值； 可靠系數(shù)，一般取0.80.85； 被保護線路的正序阻抗。對方向阻抗繼電器則有 繼

44、電器的最大靈敏角； 被保護線路的阻抗角。式中保護的動作時間按 ，即保護固有動作時間整定。 2) 當(dāng)線路末端僅為一臺變壓器時其整定值計算按不伸出線路末端變壓器內(nèi)部整定，即按躲過變壓器其他各側(cè)的母線故障整定，即 可靠系數(shù)，一般取0.75； 線路末端變壓器的阻抗。 式中保護的動作時間按 ，即保護固有動作時間整定。 繼電保護原理3)當(dāng)線路終端變電所為兩臺及以上變壓器并列運行且變壓器均裝設(shè)差動保護時如果本線路上裝設(shè)有高頻保護時，距離I段仍可按1)項的方式計算。當(dāng)本線路上未裝設(shè)高頻保護時，則可按躲過本線路末端故障或按躲開終端變電所其他母線故障整定，即 或 終端變電所變壓器并聯(lián)阻抗。 式中4) 當(dāng)線路終端變

45、電所為兩臺及以上變壓器并聯(lián)運行(變壓器未裝設(shè)差動保護)時按躲過本線路末端故障，或按躲過變壓器的電流速斷保護范圍末端故障整定，即式中 終端變電所變壓器并列運行時，電流速斷保護范圍的最小阻抗值；其他符號同前。 5) 當(dāng)被保護線路中間接有分支線路或分支變壓器時按躲開本線路末端和躲開分支線路(分支變壓器)末端故障整定，即 式中 本線路中間接分支線路(分支變壓器)處至保護安裝處之間的線路正序阻抗；其他符號同前。 或繼電保護原理2. 距離保護段整定計算1) 按與相鄰線路距離保護I段配合整定 式中 被保護線路正序阻抗； 相鄰距離保護段動作阻抗； (助增)分支系數(shù)，選取可能的最小值； 可靠系數(shù)，一般取0.80

46、.85； 可靠系數(shù)，一般取0.8。保護動作時間為式中 時間級差，一般取0.5s。最大靈敏角 式中 線路正序阻抗角。2) 按躲過相鄰變壓器其他側(cè)母線故障整定 式中 相鄰變壓器阻抗(若多臺變壓器并列運行時，按并聯(lián)阻抗 計算)； 可靠系數(shù)，一般取0.70.75。保護動作時間及最大靈敏角的整定同上。 繼電保護原理3) 按與相鄰線路距離保護段配合整定 式中 相鄰距離保護段整定阻抗； 可靠系數(shù)，一般取0.8。最大靈敏角保護動作時間 式中 相鄰距離保護段動作時間。4) 按保證被保護線路末端故障保護有足夠的靈敏度整定當(dāng)按1)、2)、3)各項條件所計算的動作阻抗在本線路末端故障時，保護的靈敏度很高，與此同時又出

47、現(xiàn)保護的段與段之間的動作阻抗相差很大，使繼電器的整定范圍受到限制而無法滿足I段、段計算定值的要求時，則可改為按保證本線路末端故障時有足夠的靈敏度條件整定，即 式中 被保護線路正序阻抗； 被保護線路末端故障保護的靈敏度。對最小靈敏度的要求如下：當(dāng)線路長度為50km以下時，不小于1.5；當(dāng)線路長度為50km200km時，不小于1.4；當(dāng)線路長度為200km以上時，不小于1.3。 繼電保護原理5) 當(dāng)相鄰線路末端裝設(shè)有其他類型的保護時(1) 當(dāng)相鄰線路裝設(shè)有相間電流保護時，距離保護段整定值為 式中 可靠系數(shù)，一般取0.75； 相鄰線路電流保護最小保護范圍(以阻抗表示)，其計算式為式中 系統(tǒng)最小運行方

48、式相電勢； 系統(tǒng)至相鄰線路保護安裝處之間的最大阻抗(最小運行方式下的阻抗值)。 相鄰線路電流保護動作值保護動作時間為式中 相鄰電流保護的動作時間 繼電保護原理(2) 當(dāng)相鄰線路裝設(shè)有電壓保護時，保護整定為式中 相鄰線路電壓保護之最小保護范圍(以阻抗表示)，其計算為 式中 電壓保護的整定電壓(線電壓值)； 系統(tǒng)運行相電勢； 系統(tǒng)至相鄰線路電壓保護安裝處之間的最小阻抗(最大運行方式下) 保護動作時間為 相鄰電壓保護的動作時間 (3) 當(dāng)相鄰線路裝設(shè)電流、電壓保護時，距離保護段的動作阻抗可分別按(1)、(2)項計算出電流、電壓保護的電流元件和電壓元件的保護范圍，再按式 計算出距離保護段的動作阻抗值。

49、保護動作時間為式中 相鄰電流、電壓保護的動作時間； 6) 距離保護段靈敏度式中 距離保護段整定阻抗值； 被保護線路的正序阻抗。 繼電保護原理3. 距離保護段整定計算1) 按與相鄰距離保護段配合整定此時，保護的整定值為式中 相鄰線路距離保護段整定阻抗；最大靈敏角距離保護段動作時間按以下條件分別整定：(1) 相鄰距離保護段在重合閘之后不經(jīng)振蕩閉鎖控制，且距離段保護范圍不伸出相鄰變壓器的其他母線時，有 式中 相鄰距離在重合閘之后不經(jīng)振蕩閉鎖控制時的段動作時間 (2) 當(dāng)段保護范圍伸出相鄰變壓器的其他母線時，其動作時間整定為 式中 相鄰變壓器的后備保護動作時間。 繼電保護原理2) 按與相鄰距離段相配合

50、距離段按與相鄰距離段相配合時，動作阻抗為 式中 相鄰距離段的動作阻抗；最大靈敏角距離段動作時間為式中 相鄰距離保護段動作時間 3) 按與相鄰變壓器的電流、電壓保護配合整定其定值為 式中 電流元件或電壓元件的最小保護范圍阻抗值。該保護范圍按以下各條件分別進行計算：對相鄰保護為電壓元件時，計算為 式中 相鄰電壓元件動作電壓(線電壓)； 系統(tǒng)運行相電勢； 系統(tǒng)至相鄰電壓保護安裝處之間的最小綜合阻抗(最大運行方式下)。 繼電保護原理相鄰保護為電流元件時，計算式為 式中 相鄰電流元件動作電流； 系統(tǒng)至相鄰電流保護安裝處之間的最大等值阻抗(最小運行方式下)。 最大靈敏角 保護段時間為 式中 相鄰變壓器電流

51、、電壓保護動作時間 4) 按躲過線路最大負荷時的負荷阻抗配合整定(1) 當(dāng)距離段為電流啟動元件時，其整定值為 式中 可靠系數(shù)，取1.21.25； 電流返回系數(shù)，取0.85； 自啟動系數(shù)，根據(jù)負荷性質(zhì)可取1.52.5； 線路最大負荷電流。 繼電保護原理(2) 當(dāng)距離段為全阻抗啟動元件時，其整定值為 式中 可靠系數(shù)，取1.21.25； 電流返回系數(shù)，取1.151.25； 自啟動系數(shù)，根據(jù)負荷性質(zhì)可取1.52.5； 最小負荷阻抗值，其計算式為 式中 額定運行線電壓 (3) 當(dāng)為方向阻抗啟動元件時，其整定值計算如下：當(dāng)方向阻抗元件為0接線方式時，段整定值為 當(dāng)方向阻抗元件為-30接線方式時，段整定值為 式中 線路正序阻抗角； 負荷阻抗角。 繼電保護原理5) 距離段的靈敏度線路末端靈敏度計算為后備保護靈敏度計算為式中 線路正序阻抗； 距離段整定阻抗 相鄰線路電流保護最小保護范圍（以阻抗表示）對距離段靈敏度的要求：對于1